一种模块化安装的节能型膜蒸馏废水处理装置及方法与流程

本发明属于污水处理技术领域,具体涉及一种可用于各类高盐污水处理、回用的模块化安装的节能型膜蒸馏废水处理装置与方法。

背景技术：

工业废水伴随着工业生产的不断发展产生量逐渐增大，其中含有大量各类有机污染物和可溶性盐类杂质，直接排放会对水体和周围环境造成严重危害，必须进行处理才能排放或回用。膜蒸馏技术以膜两侧的易挥发组分的分压差为推动力而进行传质分离，利用膜蒸馏技术进行工业含盐废水的浓缩，具有分离效率高、操作条件温和、受盐浓度影响小的优点。然而，膜蒸馏技术尚未实现大模工业应用，其主要原因是还未开发出可市场化的高效膜蒸馏装置，膜蒸馏过程依赖于相变的过程，需要将待处理料液进行加热汽化，该过程中热量如果不能有效回收利用，会引起能量方面的高操作成本；同时膜组件的机械强度较差，其制作与安装工艺复杂，要求高。

专利CN 203990316 U公开了一种逆流交换膜蒸馏装置，通过设置格筛网保证了中空纤维膜膜组与中空管管组之间的结构规整，提高整个膜蒸馏过程热效率，但从中空管管组出料口输出预热后的含盐废水，其仍需经外部补充换热后进一步提升至汽化温度。该发明虽然部分利用了高温含盐废水的部分热量，提高整个膜蒸馏过程热效率，但仍需要外界热量的补充。

专利CN 104014244 A公开了一种筒式膜蒸馏器，针对传统膜蒸馏中原水加热后输送到膜蒸馏器中所带来的热量损失，提供了一种具有加热功能的膜蒸馏器。在膜蒸馏器下端直接安装电加热器，且其电加热器的功率变频可调，可以实现原水直接在膜蒸馏器中加热，并且可以根据具体的工艺要求来调节电加热器的功率，减少了在输液管道上的热量流失。虽然如此，但是从其蒸汽采出口采出的水蒸汽温度较高，其能量未能得到充分回收利用，导致该装置中能量方面的操作成本较高。

同时以上两项专利中均公开了膜蒸馏所用的组件中空纤维膜组件，其制作技术复杂且管板制作也较困难，如果在施工现场进行现场施工，需要对施工人员的安装技术要求较高。

技术实现要素：

发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种安装方便、能量利用率高、污水处理效果好、废水回用率高的模块化安装的节能型膜蒸馏废水处理装置及方法。

技术方案：本发明所述的一种模块化安装的节能型膜蒸馏废水处理装置，包括一组初级处理模块和N级后处理模块，所述初级处理模块包括第一膜蒸馏器分模块、第二膜蒸馏器分模块和热泵分模块，所述热泵分模块包括第一再沸器、第二再沸器和至少一座压缩机；所述第一再沸器的热料出口接入所述第一膜蒸馏器分模块的气液混合进料口，所述第一膜蒸馏器分模块的浓缩液出口接入所述第二再沸器的冷料入口，所述第二再沸器的热料出口接入所述第二膜蒸馏器分模块的气液混合进料口，所述第二膜蒸馏器分模块的浓缩液出口与后处理模块连接；所述第一膜蒸馏器分模块以及第二膜蒸馏器分模块的顶部蒸汽汇合后接入所述压缩机入口，所述压缩机出口接入所述第一再沸器的蒸汽入口。

进一步地，所述的每一级后处理模块包括一座再沸器和一座膜蒸馏器，所述再沸器的冷料入口与上一级的膜蒸馏器的浓缩液出口连接，所述再沸器的热料出口与同级膜蒸馏器的气液混合进料口连接，所述的后处理模块中的膜蒸馏器的顶部蒸汽出口接入所述压缩机。

进一步地，所述0≤N≤10。

进一步地，为进一步地提高处理效果，所述第二再沸器以及N级后处理模块中的再沸器的蒸汽入口连接外部蒸发器。

进一步地，所述第一膜蒸馏器分模块、第二膜蒸馏器分模块以及N级后处理模块中的膜蒸馏器分模块的型号相同，包括圆柱筒体模块和膜组件模块，所述圆柱筒体模块包括圆柱筒体、上封头、孔板、防冲板、气液混合进料口、浓缩液出口和蒸汽出口，所述膜组件模块由若干组U型中空纤维膜模块单元组成；所述孔板上均匀开设有若干个通孔，膜组件模块穿过通孔经螺栓与孔板固定；所述圆柱筒体模块中圆柱筒体、上封头、孔板通过法兰连接；所述气液混合进料口和蒸汽出口通过法兰分别与圆柱筒体、上封头连接；浓缩液出口焊接于圆柱筒体的下方；所述防冲板焊接于圆柱筒体内部的下方，且位于所述气液混合进料口附近。

进一步地，所述第一再沸器、第二再沸器以及N级后处理模块中再沸器均为热虹吸式再沸器，且每一个再沸器上均接有真空泵。

采用权利要求1所述装置进行废水处理的方法，具体过程如下：废水原水经第一再沸器的冷料入口输入第一再沸器，在第一再沸器中部分汽化，并将热料输送至第一膜蒸馏器分模块；第一膜蒸馏器分模块中的水蒸汽透过膜丝进入到筒盖内，然后通过蒸汽出口输入压缩机，浓缩液输入第二再沸器中，第二再沸器的热料出口接入第二膜蒸馏器分模块；第二膜蒸馏器分模块中的水蒸汽透过膜丝进入到筒盖内，然后通过蒸汽出口输入压缩机，浓缩液输入后处理模块中的再沸器中，后处理模块中的再沸器热料出口接入下一级后处理模块中的膜蒸馏器中，后处理模块中膜蒸馏器的蒸汽出口接入压缩机，压缩机将各级膜蒸馏器的蒸汽加压升温后进入第一再沸器，作为热源与预处理的原水进行换热。

进一步地，为提高处理效果，所述第一膜蒸馏器分模块与第一再沸器在减压条件下作业，且操作压力为0.01MPa～0.045MPa。

进一步地，为提高处理效果，所述第二膜蒸馏器分模块与第二再沸器在减压条件下作业，且操作压力为0.01MPa～0.05MPa。

进一步地，为提高处理效果，所述压缩机出口物料的温度与废水原水的温差≥20℃。

有益效果：(1)本发明针对传统膜蒸馏中原水汽化完全依靠外加热量进行加热，能量利用率较低、安装操作复杂等问题，设计了一种新型的模块化安装的节能膜蒸馏废水处理工艺与装置；将热泵技术引入膜蒸馏废水处理系统中，通过调节两组膜蒸馏器的操作压力和压缩机的操作压力，实现对预处理过的原水进行加热汽化，有效减少了使用大量水蒸汽作为加热介质，整个系统能量利用率高；

(2)本系统采用热虹吸式再沸器，将预处理过的原水在热虹吸式再沸器中部分汽化后，形成汽液混合物，预处理过的原水被加热后，体积膨胀，密度变小变轻，会上升，并利用密度差作为推动力，从膜蒸馏器模块的气液混合进料口进入膜蒸馏器，周围冷的液体来补充，形成强制循环，既节省了循环用的泵，又实现了膜蒸馏器内部能够取得较高的气水比；

(3)本系统作为膜分离技术，安装操作方便、系统的能量利用率高，非常适合于海水淡化、城市污水和工业循环废水等含有高含盐废水的回收利用；

(4)本装置采用模块化安装技术，将膜蒸馏器、压缩机、再沸器安装于模块内，并在模块外预留各类接口，一方面提高装置的安装效率，另一方面可以最大限度的减少施工现场的施工噪音、粉尘污染以及安全隐患等问题。

附图说明

图1为本发明实施例1中的装置结构示意图；

图2为本发明实施例2中的装置结构示意图；

其中：1、第一膜蒸馏器分模块，11、第一膜蒸馏器分模块气液混合进料口，12、第一膜蒸馏器分模块浓缩液出口；2、第二膜蒸馏器分模块，21、第二膜蒸馏器分模块气液混合进料口，22、第二膜蒸馏器分模块浓缩液出口；3、第一再沸器，4、第二再沸器，5、压缩机，6、后处理模块，61、后处理模块再沸器，62、后处理模块膜蒸馏器。

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：一种模块化安装的节能型膜蒸馏废水处理装置，包括一组初级处理模块，初级处理模块包括第一膜蒸馏器分模块1、第二膜蒸馏器分模块2和热泵分模块，热泵分模块包括第一再沸器3、第二再沸器4和一座压缩机5；第一再沸器3的热料出口接入第一膜蒸馏器分模块1的气液混合进料口11，第一膜蒸馏器分模块的浓缩液出口12接入第二再沸器4的冷料入口，第二再沸器4的热料出口接入第二膜蒸馏器分模块的气液混合进料口21，由第二膜蒸馏器分模块的浓缩液出口22采出废水浓缩液；第一膜蒸馏器分模块1以及第二膜蒸馏器分模块2的顶部蒸汽汇合后接入压缩机5入口，压缩机出口接入第一再沸器的蒸汽入口；本装置中第二再沸器的蒸汽入口连接外部蒸发器；第一膜蒸馏器分模块1和第二膜蒸馏器分模块2型号相同，包括圆柱筒体模块和膜组件模块，圆柱筒体模块包括圆柱筒体、上封头、孔板、防冲板、气液混合进料口、浓缩液出口和蒸汽出口，膜组件模块由若干组U型中空纤维膜模块单元组成；孔板上均匀开设有若干个通孔，膜组件模块穿过通孔经螺栓与孔板固定；圆柱筒体模块中圆柱筒体、上封头、孔板通过法兰连接；气液混合进料口和蒸汽出口通过法兰分别与圆柱筒体、上封头连接；浓缩液出口焊接于圆柱筒体的下方；防冲板焊接于圆柱筒体内部的下方，且位于气液混合进料口附近；第一再沸器和第二再沸器均为热虹吸式再沸器，且每一个再沸器上均接有真空泵。

本实施例中所有膜蒸馏器中的圆柱筒体高度为1200mm，内径为80mm，壁厚为5mm，膜蒸馏器筒体的腔体分为圆柱形筒体和膜蒸馏器上盖两部分，上、下两部分通过孔板分隔，圆柱筒体被分成膜蒸馏发生段和蒸汽缓存段；其中膜蒸馏发生段主要由膜组件模块组成，膜组件模块由30组内径为0.8mm、壁厚为0.5mm、孔径为0.25μm、孔隙率为0.55、长度为1000mm的中空纤维膜膜丝组成；膜蒸馏器模块中膜组件模块经螺栓固定于孔板上，第一膜蒸馏器模块和第一热虹吸式再沸器操作压力为减压条件下0.02MPa，第二膜蒸馏器模块和第二热虹吸式再沸器操作压力为减压条件下0.03MPa，热泵的操作压力为0.1MPa，每个热虹吸式再沸器上接有真空泵。

采用上述装置进行废水处理的原理如下：废水原水经第一再沸器的冷料入口输入第一再沸器，在第一再沸器中部分汽化，并将热料输送至第一膜蒸馏器分模块；第一膜蒸馏器分模块中的水蒸汽透过膜丝进入到筒盖内，然后通过蒸汽出口输入压缩机，浓缩液输入第二再沸器中，第二再沸器的热料出口接入第二膜蒸馏器分模块；第二膜蒸馏器分模块中的水蒸汽透过膜丝进入到筒盖内，然后通过蒸汽出口输入压缩机，由第二膜蒸馏器的浓缩液出口采出废水处理浓缩液；压缩机将各级膜蒸馏器的蒸汽加压升温后进入第一再沸器，作为热源与预处理的原水进行换热。

采用上述装置对氯化钠含量为3.5wt％，流量为1035kg/h的海水进行回收处理，海水原水温度为25℃，原水进入第一热虹吸式再沸器进行加热部分汽化，汽化后的汽水混合物温度为61.0℃，汽水混合物进入第一膜蒸馏器模块，含盐废水汽化后形成的水蒸气透过中空纤维膜膜丝，上升至第一膜蒸馏器模块的圆柱筒体内的上部分腔体后，从第一膜蒸馏器模块的蒸汽采出口采出；部分浓缩后的浓缩液从第一膜蒸馏器模块的浓缩液出液口采出，进入第二热虹吸式再沸器，与外加蒸汽进行换热，部分汽化至86℃进入第二膜蒸馏器模块，进一步进行分离；从第一膜蒸馏器模块和第二膜蒸馏器模块采出的蒸汽均经管道预制系统模块输送至压缩机，经压缩机加压后压力增加到0.1MPa，此时蒸汽的温度为100℃；将经压缩机加压后的蒸汽输送至第一热虹吸式再沸器，用于加热海水原水，此时，第一热虹吸式再沸器的换热量为470.8kW；第二热虹吸式再沸器所需的换热量均由外加蒸汽补充，此时所需的外加热量为216.1kW。经本发明将热泵技术应用于膜蒸馏装置处理含盐废水，可节能68.5％；处理后的浓含盐废水含盐率为11.7％，经第二膜蒸馏器模块的浓缩液出口采出。

实施例2：本实施例中装置与实施例1中基本相同，其不同在于，本实施例中还包括一组后处理模块6，该后处理模块6包括一座再沸器61和一座膜蒸馏器62，所述再沸器的冷料入口与第二膜蒸馏器分模块2的浓缩液出口连接，后处理模块的再沸器61的热料出口与同级膜蒸馏器62的气液混合进料口连接，所述的后处理模块6中的膜蒸馏器62的顶部蒸汽出口接入压缩机5；本实施例中所有膜蒸馏器中的圆柱筒体高度为1200mm，内径为50mm，壁厚为5mm，膜蒸馏器筒体的腔体分为圆柱形筒体和膜蒸馏器上盖两部分，上、下两部分通过孔板分隔，圆柱筒体被分成膜蒸馏发生段和蒸汽缓存段；其中膜蒸馏发生段主要由膜组件模块组成，膜组件模块由25组内径为0.8mm、壁厚为0.45mm、孔径为0.25μm、孔隙率为0.5、长度为1000mm的中空纤维膜膜丝组成；每一组膜蒸馏器模块中膜组件模块经螺栓固定于孔板上，第一膜蒸馏器模块和第一热虹吸式再沸器操作压力为减压条件下0.045MPa，第二膜蒸馏器模块和第二热虹吸式再沸器操作压力为减压条件下0.05MPa，热泵的操作压力为0.1MPa，后处理模块中的膜蒸馏器与热虹吸式再沸器的操作压力为减压条件下0.035MPa。

采用上述装置可对工业高含盐废水进行处理，含盐废水的远水温度为25℃，对SO₄^2-含量为3.15％，NH₄⁺含量为0.98％，Na⁺含量为0.172％及含有微量Ca²⁺、Mg²⁺、NO₃^-和HCO₃^-的流量为1046kg/h的预处理后的生产重油加氢催化剂废水进行处理，进入第一热虹吸式再沸器进行加热部分汽化，汽化后的汽水混合物温度为79.6℃，汽水混合物进入第一膜蒸馏器模块，含盐废水汽化后形成的水蒸气透过中空纤维膜膜丝，上升至圆柱筒体内的上部分腔体后，从蒸汽采出口采出；部分浓缩后的浓缩液从浓缩液出口采出，进入第二热虹吸式再沸器，与外加蒸汽进行换热，部分汽化至92℃进入第二组膜蒸馏器模块，进一步进行分离；第二组膜蒸馏器的部分浓缩液从浓缩液出口采出，进入后处理模块中的热虹吸式再沸器中，与外加蒸汽进行换热，部分汽化至93℃进入后处理模块中的膜蒸馏器，进一步进行分离；由后处理模块中的膜蒸馏器的浓缩液出口采出含盐废水浓缩液；从第一膜蒸馏器模块、第二膜蒸馏器模块以及后处理模块中的膜蒸馏器采出的蒸汽均经管道预制系统模块输送至压缩机，经压缩机加压后压力增加到0.1MPa，此时蒸汽的温度为100℃；将经压缩机加压后的蒸汽输送至第一热虹吸式再沸器，用于加热预处理后的重油加氢催化剂废水，此时，第一热虹吸式再沸器的换热量为521.9kW；第二热虹吸式再沸器所需的换热量均由外加蒸汽补充，此时所需的外加热量为173.9kW；后处理模块中的热虹吸式再沸器的换热量为137.2kW。经本发明将热泵技术应用于膜蒸馏装置处理重油加氢催化剂废水，可节能75.0％；处理后的重油加氢催化剂废水含盐率为20.2％，经后处理模块中的膜蒸馏器的浓缩液出口采出含盐废水浓缩液。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。